Наноалмазы в гальванических хромовых покрытиях

Е. В. Рыжов, Ю.Л. Кощеев, Т.М. Марусина, С.А. Кузнецов, А.С. Белоногов (Мир гальваники 2009)
Опытное производство в Юбилейном, городе, где сосредоточены высоконаучные предприятия космической отрасли

Гальваническое нанесение хрома на поверхность деталей наряду с высокими декоративными характеристиками и повышенной антикоррозионной стойкостью обеспечивает многократное повышение износостойкости стальных деталей, снижение коэффициента трения до 0,05-0,16 ед., повышает микротвердость поверхности детали до 750 – 1200 HV. При этом приобретенные деталью свойства объясняются не столько свойствами самого хрома, сколько условиями его кристаллизации и, соответственно, кристаллической структурой осажденного хрома.

Процессы гальванического нанесения хрома в настоящее время достаточно хорошо изучены, а характеристики покрывающей поверхности практически достигли своего предела и дальнейшее их повышение без дополнительных мер практически невозможно.

В тоже время поиск путей повышения характеристик покрывающей поверхности в начале 80-х годов ХХ века привел к неординарному решению. Была обнаружена возможность осаждения различных металлов с внедренными в электролит наноалмазами (ультрадисперсными алмазами -УДА ). Считается, что вследствие появления большого числа центров кристаллизации формирование покрытия носит многозародышевый характер и поэтому имеет сверхмалые размеры структурных фрагментов. Размер областей когерентного рассеяния кристаллитов хрома составляет 6,2 - 9,7 нм, причем параметр решетки хрома на 0,10 - 0,15 нм больше его стандартных значений. Микронапряжения составляют 1,8 - 1,9 ГПа. В силу малого размера частиц УДА  их невысокого содержания в металлическом покрытии (0,5 - 1%) существенное повышение износостойкости, микротвердости, коррозионной стойкости не может быть связано с качествами алмаза.

В основе благоприятного нарастания эксплуатационных свойств металл-УДА-покрытия лежит целый ряд позитивных изменений структуры осаждаемого покрытия.

За счет внедрения этих частиц в кристаллическую решетку металлов получается композиционное электрохимическое покрытие, обладающее улучшенными по сравнению с исходными металлами характеристиками.

Наличие в покрытии чрезвычайно развитых по площади и прочных по химическим связям граничных слоев «металл-алмаз» обеспечивает не только износостойкость, но и повышенную микротвердость.

При указанном размере кристаллитов хрома достигается полное копирование покрытием микрорельефа покрываемой поверхности, что значительно увеличивает предельные напряжения сдвигового и нормального отрыва покрытия от основы.

Результаты лабораторных исследований показали, что разработка технологических процессов нанесения гальванических покрытий с использованием электролита с внедренными в него УДА является перспективной. Такие технологические процессы способны обеспечить значительное повышение характеристик стандартного хромового покрытия и тем самым придать новые свойства покрываемым деталям. Однако результаты лабораторных исследований при всей своей детальности не в полном объеме определяют технологические процессы при промышленном производстве.

С целью промышленного внедрения результатов лабораторных исследований в промышленные технологии было развернуто опытное производство в подмосковном городе Юбилейном, в котором сосредоточены высоконаучные предприятия космической отрасли и работают множество ученых всех областей науки.

Совместно со специалистами СКТБ «Технолог» уже через несколько месяцев была запущена линия нанесения хромового покрытия с включением УДА, на которой приступили к отработке промышленных технологий, обеспечивающих получение тех многообещающих характеристик, которые были обоснованы в основном теоретически. Опытная отработка технологических процессов проводилась с целью уточнения режимов нанесения гальванических покрытий, содержащих УДА.

Наиболее перспективными направлениями применения покрытий с УДА были выбраны следующие:

  • повышение ресурса металлообрабатывающего инструмента;
  • повышение ресурса формообразующего инструмента и оснастки;
  • повышение надежности узлов и деталей оборудования, подверженных сильному износу.

Большое количество варьируемых параметров даже при использовании результатов предварительных исследований потребовало значительного объема опытных работ.

При планировании экспериментов было учтено, что технологические процессы нанесения, например, твердого покрытия, в значительной степени отличаются от процессов нанесения износостойкого покрытия. Отработка технологии нанесения покрытий потребовала изготовления большого количества образцов и проведения довольно сложных измерений для оценки полученных результатов.

Следует отметить, что при измерениях различных характеристик покрытий пришлось столкнуться с существующим в настоящее время дефицитом измерительной техники. Возникли проблемы с анализом структуры покрытия, измерением количественных характеристик включения УДА в структуру покрытия, процентным содержанием различных фаз осадка, определением связности между количественными характеристиками микроструктуры и свойствами покрытия, слоистостью текстуры и др. К настоящему времени не сформирована инфраструктура аренды измерительной техники, проведения измерений под заказ.

Сложилась парадоксальная ситуация – стоимость измерений многократно превышает стоимость нанесения покрытий. В этой ситуации было предложено несколько отойти от классического подхода оценки результатов экспериментов, а именно перейти от частных показателей к комплексным, т.е. использовать производственные характеристики покрываемых деталей. Например, нанесение хромового покрытия с УДА на резцы увеличивает их ресурс по обработке нержавеющий стали в 3–4 раза. Такой подход, использованный при «зондировании» областей возможных решений позволил в значительной степени сузить эти области.

Эксперименты с металлообрабатывающим инструментом дали положительные результаты. Сверла из сплава Р6М5, наиболее широко применяющиеся в промышленности, с нанесенным покрытием стали служить в 2–3 раза дольше обычных, позднее срок службы был увеличен до 4–5 раз. Резцы, фрезы, плашки, метчики стали работать в 3–4 раза дольше.

В силу того, что хромовые покрытия обладают низким коэффициентом трения, обработка высоковязких материалов, таких как нержавеющая сталь, титан и алюминиевые сплавы таким инструментом с покрытием может производиться значительно легче.

Стружка становится цельной, значительно уменьшается количество металлической пыли, рабочее пространство становится чище.

А за счет того, что скорость осаждения хромового покрытия с УДА выше, чем у обычного твердого хрома, можно говорить об увеличении производительности обычной гальванической линии на 15 - 20%.

Большая перспектива открывается при обработке фильер, матриц, пуансонов и другого деформирующего инструмента. Замена стандартного твердого хромирования на хромовое покрытие с УДА не только приводит к значительному увеличению ресурса фильер, матриц, пуансонов и т.п., но и обеспечивает повышение качества продукции, благодаря долговечности покрытия. Учитывая высокую стоимость производства таких деталей, увеличение за счет применения покрытия с УДА ресурса изделий в 2 – 4 раза значительно снижает себестоимость выпускаемой предприятиями продукции и, следовательно, определяет целесообразность применение УДА в покрытии.

Практика показала увеличение срока службы фильер для производства стеклопластика более чем в 4 раза, по сравнению с хромовым покрытием большей толщины;  матриц и пуансонов – в 2 – 3 раза.

Высокое качество штампованных резино-технических изделий сохраняется на всем протяжении срока службы матрицы и пуансона, практически полностью исключается подгар и налипание жидкой резины к поверхности оснастки.

Применение хромовых покрытий с УДА для повышения ресурса пресс-форм, используемых при изготовлении изделий из стекла, также приводит к увеличению их срока службы в 2 – 3 раза, причем значительно уменьшается процент брака, т.к. стекло не налипает на поверхность покрытия и чистка форм производится значительно реже.

Более чем пятилетний опыт работы свидетельствует о несомненной перспективности технологии покрытий с включением УДА, о чем свидетельствуют полученные результаты увеличения стойкости инструмента:

  • металлорежущий инструмент (сверла, фрезы, метчики, резцы и т.п.) – в 2 – 5 раз;
  • формообразующий инструмент (штампы, матрицы, пуансоны, фильеры и т.п.) – в 2 – 4 раза;
  • узлы трения (подшипники, валы, втулки и т.п.) – в 4 – 12 раз;
  • буровое и гидравлическое оборудование – 3 – 6 раз.

Столь значительное увеличение стойкости не может оставаться не замеченным. В настоящее время аналогичное производство по нашей технологии готовится к запуску в Германии. Надеемся, что отечественные производители проявят больший интерес к технологии осаждения хромового покрытия с УДА, пока еще есть возможность занять достойное место на международном рынке высококачественного инструмента и оборудования.

С большой заинтересованностью к такой технологии обращаются предприятия, использующие инструмент для выполнения высокоточных работ, к примеру, при точной металлообработке, производстве печатных плат, производители нефтяного и бурового оборудования.

Целый ряд отечественных предприятий, ощущая постоянную конкуренцию с иностранными производителями высококлассного оборудования, в настоящее время ведет подготовительные работы по внедрению разработанной технологии на своем производстве.

Это в значительной степени позволит превзойти конкурентов по показателям надежности и долговечности выпускаемой продукции.

Данная статья является результатом 4-х летней работы коллектива ТВЦ «НТ» ЗАО «ЭКА», направленной на адаптацию для внедрения в промышленности наработок в области нанесения гальванических металл-алмазных покрытий, накопленных в российских научно-исследовательских институтах и организациях на протяжении последних 15 лет.

На текущий момент технология хромирования с УДА внедрена на собственном производстве в Московской области и применяется для повышения ресурса нефтедобывающего оборудования, экструзионного и медицинского оборудования, изделий заказчиков в интересах практически всех отраслей промышленности.

ТВЦ «НТ» (Технико-внедренческий центр «Новых технологий») является производственным подразделением ЗАО «ЭКА», специализирующимся на разработке и внедрении инновационных технологий и материалов для нужд космической, машиностроительной, нефтедобывающей и других отраслей.

В связи с постоянным развитием нашей научной и производственной базы, более 70% наших постоянных партнеров составляют коммерческие компании, работающие практически во всех отраслях промышленности.

Центр был создан в 2003 году и к настоящему времени заслужил репутацию надёжного и профессионального партнёра. В Центре ведётся работа по нескольким направлениям:

  • разработка новых технологий повышения ресурса промышленного инструмента и оборудования;
  • разработка антикоррозионных покрытий (лаков/красок) для защиты металлоконструкций от воздействия окружающих сред;
  • исследование возможности повышения свойств различных материалов (керамики, резины, пластмассы) за счёт наноалмазных добавок.